4. Ядерные взрывы.

В ядерных реакторах ядерная цепная реакция является управляемой, вследствие чего выход энергии никогда не превосходит безопасного предела. Наоборот, ядерные взрывы проектируют так, чтобы начальный экспоненциальный рост числа актов реакций продолжался до тех пор, пока не израсходуется всё топливо. Существует два вида ядерных взрывных устройств: основанные на реакции деления (атомные бомбы) и на реакции деления-слияния (водородные бомбы). Топливо в атомной бомбе состоит из очень чистого изотопа ²³⁵U или ²³⁹Pu, ядра которых способны к делению. Небольшой кусок такого материала не может взорваться сам по себе, поскольку его покидает большая часть образующихся в нём нейтронов. Однако в достаточно большом куске (критической массе) может начаться цепная реакция, вызванная действием какого-либо случайного начального нейтрона. Цепная реакция в чистом ²³⁵U происходит практически также, как в системе, состоящей из природного урана и замедлителя. Если в момент времени t имеется N нейтронов, то их число за время dt возрастёт на величину dN=(t)N(t)dt, где (t) – сложная функция времени, а также геометрии и природы материала. Типичное начальное значение (0) составляет примерно 10⁸ с^-1. Если (t) можно считать постоянной, то число нейтронов будет возрастать экспоненциально:

, где _g=1/ называется временем генерации.

Атомная бомба действует следующим образом. С самого начала для предотвращения случайного взрыва расщепляющийся материал разделён на части, имеющие докритические массы. Под действием электрического запала взрывается химическое взрывчатое вещество, и части с докритическими массами устремляются к центру, где они образуют критическую массу. После этого начинается цепная реакция, которая приводит к экспоненциальному увеличению числа нейтронов. Примерно после 50 генераций, или примерно через 0,5 мкс, выделяется столько энергии, что всё устройство мгновенно взрывается. Затем число нейтронов будет убывать и в конце концов упадёт до нуля (см. рис.8.10).

В водородной бомбе расщепляющийся материал находится в центральной части и окружён дейтеридом лития. Взрыв в центральной части производится тем же самым способом, как описано выше. В результате достигается очень высокая температура и получается сильный поток нейтронов, что приводит к последующему термоядерному взрыву внешней части.

0

Рис. 8.10. Логарифмический график зависимости числа нейтронов от времени и график зависимости от времени энергии, высвобождаемой в единицу времени при ядерном взрыве.

Научные и инженерные применения ядерных взрывов определяются двумя факторами: интенсивным потоком нейтронов и большим высвобождением энергии. Типичное взрывное устройство даёт около 10²⁴ нейтронов за время меньшее 10^-7 с, и выделяет от 1 до 100 кт энергии за то же время (1 кт=10¹² кал=2,6110³¹ эВ). Здесь мы укажем только два примера использования ядерных взрывов. Элементы эйнштейний (99) и фермий (100) были впервые открыты в продуктах большого термоядерного взрыва в 1952 г. С помощью ядерных взрывов можно изучать ядерные реакции и уровни ядер, поскольку вспышка нейтронов является достаточно интенсивной. Даже на расстоянии нескольких сотен метров от эпицентра взрыва полный нейтронный поток всё ещё оказывается порядка 10¹⁴ нейтронов/см². Поскольку начальная вспышка нейтронов при взрыве очень резкая, как это показано на рис. 8.10, измерение времени пролёта нейтронов от места взрыва до мишени позволяет легко определить их кинетическую энергию.

Лекция 9. Некоторые вопросы ядерной астрофизики.

До 1975 г. физика ядра и элементарных частиц считались разными областями науки, и лишь немногие пытались понять, как открытия в одной области могут стимулировать исследования в другой. В середине 70-х годов стало ясно, что изучение эволюции ранней вселенной даёт уникальную возможность исследовать высокоэнергичные явления, которые невозможно воссоздать в лаборатории.